CN116700094B - 一种数据驱动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数据驱动控制系统，涉及机器人控制领域。系统包括加工数据处理模块、数据分发模块和若干机器人；加工数据处理模块用于提取工程文件数据并生成完整加工数据；数据分发模块用于提供内部时钟信号，根据时钟偏差计算策略计算机器人的请求时钟偏差，以及将完整加工数据拆分为若干加工数据组并分别发送至若干机器人；机器人根据内部时钟信号和请求时钟偏差同步本地时钟，根据加工数据组执行生产操作。本发明通过内部时钟信号调整机器人本地时钟，提高机器人根据加工指令执行的加工操作的时间精度，保证生产线若干机器人的同步作业；通过数据拆分策略将完整加工数据合理拆分，能够优化加工数据的分配和运行策略，并提高加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，具体是一种数据驱动控制系统。
背景技术
在工业自动化领域中，工业机器人是一种具有多关节、可编程控制器和准确的运动控制系统的机器人。工业机器人可以替代高强度、高危险性的人工操作，并且其高精度和24小时不间断的工作能力可以大大提高生产效率。因此，工业机器人在现代制造业中得到了广泛的应用。
然而，由于时间同步不准确和任务分配运行策略不合理等一系列技术缺陷，机器人在生产线中的应用受到了严重制约。
首先，时间同步不准确是机器人生产线加工操作中存在的主要问题之一。传统的时间同步方法仅依靠本地时钟，不利于机器人之间的同步和精准时间掌控。这会导致机器人执行加工任务时出现时间偏差，甚至出现不同机器人之间的执行时间互相干扰等问题。
其次，任务分配和定位策略不合理也使机器人在生产线加工操作中存在效率低下、精度不够、不稳定等问题。传统的加工任务分配和运行策略难以应对复杂任务和快速变化的市场需求。在传统策略下，某些机器人在执行任务时会出现过度等待或者繁忙的情况。同时，机器人之间的协同作业难以保证同步和效率。
以上问题的存在，极大地制约了机器人在生产线中的应用，建立一种优秀的控制系统的同步、任务分配和定位策略变得非常必要。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明采用以下技术方案：
一种数据驱动控制系统，其特征在于：包括加工数据处理模块、数据分发模块和若干机器人；
所述加工数据处理模块用于提取工程文件数据并生成完整加工数据；
所述数据分发模块用于提供内部时钟信号，根据时钟偏差计算策略计算所述机器人的请求时钟偏差，以及将完整加工数据拆分为若干加工数据组并分别发送至所述若干机器人；
所述机器人根据所述内部时钟信号和请求时钟偏差同步本地时钟，根据所述加工数据组执行生产操作。
作为本申请优选方案，所述数据分发模块设有GPS接收模块、晶体振荡器和PLL频率锁定回路所述GPS接收模块用于获取GPS时间信号；所述晶体振荡器用于提供内部时钟信号；所述PLL频率锁定回路用于同步内部时钟信号与GPS时间信号。
作为本申请优选方案，所述PLL频率锁定回路包括相位检测器和低通滤波器；所述相位检测器用于对比GPS时间信号和内部时钟信号并输出相位误差信号；所述低通滤波器将所述相位误差信号进行滤波和平滑处理，产生控制电压并传输至晶体振荡器；所述晶体振荡器根据控制电压调整所述内部时钟信号。
作为本申请优选方案，所述数据分发模块还包括温度补偿回路，所述温度补偿回路与晶体振荡器连接；所述温度补偿回路用于晶体振荡器的温度变化调整晶体振荡器的频率。
作为本申请优选方案，所述时钟偏差计算策略为：
数据分发模块向机器人发送Sync报文，并记录时间T1；
机器人收到Sync报文时记录接收时间T2；
数据分发模块发送带有T1值的Follow_Up报文至机器人；
机器人向数据分发模块发送Delay_Req报文，并记录发送时间T3；
数据分发模块收到Delay_Req报文后，记录接收时间T4，并通过将T4值添加到Delay_Resp报文中作为响应，向机器人发送Delay_Resp报文；
根据T1、T2、T3和T4计算所述请求时钟偏差；所述请求时钟偏差表示为Dev_T＝1.5×(T2-T1)+0.5×(T4-T3)。
作为本申请优选方案，所述加工数据处理模块包括模型分析模块和加工规划模块；所述模型分析模块根据工程文件数据生成分析结果数据；所述加工规划模块根据分析结果数据生成完整加工数据。
作为本申请优选方案，所述数据分发模块通过数据拆分策略将完整加工数据拆分为若干加工数据组；所述数据拆分策略为根据完成最小不可分割的加工数据的时长将完整加工数据为若干组加工数据。
作为本申请优选方案，所述机器人向数据分发模块周期性地发送任务进度状态，包括任务已完成、任务失败和任务进行节点信息。
作为本申请优选方案，所述控制系统还包括MES管理模块；所述机器人设有若干传感器；所述若干传感器用于获取运行过程中的定位数据；所述MES管理模块用于接收并存储定位数据。
作为本申请优选方案，所述MES管理模块还用于向加工规划模块传输重复定位数据；所述加工规划模块计算当前定位数据和平均定位数据的偏差值，若偏差值小于指定阈值，则对完整加工数据进行偏差补偿。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过数据分发模块提供稳定的内部时钟信号，通过时钟偏差计算策略计算请求时钟偏差，机器人根据内部时钟信号和请求时钟偏差调整本地时钟，以保证本发明控制系统时间同步的精度和稳定性，进而提高机器人根据加工指令执行的加工操作的时间精度，保证生产线若干机器人的同步作业；
本发明通过数据拆分策略将完整加工数据合理拆分，能够优化加工数据的分配和运行策略，并提高加工效率；
本发明根据任务进度状态调整数据拆分策略，从而保证各机器人之间的同步性和控制系统的高效稳定运行；
本发明加工规划模块计算当前定位数据和平均定位数据的偏差值，若偏差值小于指定阈值，则对完整加工数据进行偏差补偿，从而实现对当前定位数据的修正，从而提高加工任务的自动化水平和提高作业质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的数据驱动控制系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的数据分发模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
请参阅图1，本发明提供了一种数据驱动控制系统，包括加工数据处理模块、数据分发模块、若干机器人和MES管理模块。所述数据分发模块与若干机器人分别通讯连接。
所述加工数据处理模块用于提取工程文件数据并生成完整加工数据；
所述数据分发模块提供内部时钟信号，以及向所述机器人分发加工数据组；
所述机器人根据所述内部时钟信号同步本地时钟，根据所述加工数据组执行生产操作。
进一步地，请参阅图2，所述数据分发模块设有GPS接收模块、晶体振荡器和PLL频率锁定回路。所述GPS接收模块用于获取高精度的GPS时间信号；所述晶体振荡器具有高度的频率稳定度和短期精度，用于在短时间内提供高精度的内部时钟信号；所述PLL频率锁定回路将GPS时间信号和晶体振荡器输出的内部时钟信号进行比较，并进行自动调节，以保持通过晶体振荡器实现的内部时钟信号与GPS时间信号的同步和稳定。
具体的，PLL频率锁定回路包括相位检测器和低通滤波器。相位检测器用于对比GPS时间信号和晶体振荡器输出的内部时钟信号并输出一定信号幅度的相位误差信号。低通滤波器将相位误差信号进行滤波和平滑处理，产生控制电压并传输至晶体振荡器的控制端口。晶体振荡器根据控制电压调节频率和相位，依此对内部时钟信号自动进行快速调整和跟随变化，从而实现高精度的时钟信号产生和频率调节。
作为优选实施例，数据分发模块还包括温度补偿回路，温度补偿回路与晶体振荡器连接。所述温度补偿回路用于监测晶体振荡器的温度，并根据温度变化自动调整晶体振荡器的频率，以保持其高精度和长期稳定性，从而增强其抗温度变化和噪声的能力，使其在各种温度和环境条件下都能提供高质量的内部时钟信号。
进一步地，每个机器人设有本地时钟设备。所述数据分发模块与若干机器人分别通过精密时间协议通讯连接。
基于以上实施例，所述数据分发模块还通过时钟偏差计算策略计算各机器人的请求时钟偏差。具体的，时钟偏差计算策略为：数据分发模块向机器人发送Sync报文，并记录时间T1，随后机器人收到Sync报文，并记录接收时间T2。数据分发模块紧接着发送一个带有T1值的Follow_Up报文给机器人，用于确定数据分发模块的时间参考点。然后，机器人向数据分发模块发送一个Delay_Req报文，并记录发送时间T3。数据分发模块收到Delay_Req报文后，记录接收时间T4，并通过将T4值添加到Delay_Resp报文中作为响应，向机器人发送Delay_Resp报文。在此过程中，机器人收到了T1、T2、T3及T4的所有时间戳，可以利用这些时间戳计算往返时延，即[(T4-T3)-(T2-T1)]/2，并且计算得到相对于数据分发模块的请求时钟偏差，即Dev_T＝(T2-T1)-[(T4-T3)-(T2-T1)]/2＝1.5×(T2-T1)+0.5×(T4-T3)。通过时钟偏差计算策略，机器人相对于数据分发模块的时钟偏差可以得到更加精确的计算，数据分发模块在向机器人传输内部时钟信号的同时发送请求时钟偏差，机器人根据内部时钟信号和请求时钟偏差调整本地时钟，以保证系统时间同步的精度和稳定性，进而提高机器人根据加工指令执行的加工操作的时间精度，保证生产线若干机器人的同步作业。
作为优选实施例，加工数据处理模块将工程文件数据的三维模型转化为可供机器人控制器执行的加工指令集合作为完整加工数据，包括加工轨迹、加工顺序、切削参数、加工角度、加工速度、加工深度、加工过程时间等等，从而使机器人能够自动执行加工任务。在一实施例中，工程文件数据通过CAD软件提供。
具体的，加工数据处理模块包括模型分析模块和加工规划模块。
模型分析模块用于分析工程文件数据的三维模型，生成分析结果数据；分析结果数据包括零件几何特征、材料类型和强度、尺寸精度以及所需工艺类型等数据。
加工规划模块根据分析结果数据将三维模型切分为若干具有一定高度或深度的切割层次并依此生成产品生产流程的完整加工数据。切割层次通常根据实际情况选择，每个切割层次包含多个切割平面，每个平面都是由三角形的细分面连接而成的。
基于上述实施例，数据分发模块通过数据拆分策略将完整加工数据拆分为若干加工数据组。具体的，数据拆分策略为根据完成最小不可分割的加工数据的时长拆分将完整加工数据为若干组加工数据。通过数据拆分策略将完整加工数据合理拆分，能够优化加工数据的分配和运行策略，并提高加工效率。
作为优选实施例，机器人在执行生产操作的过程中向数据分发模块周期性地发送任务进度状态，包括任务已完成、任务失败和任务进行节点信息；数据分发模块根据任务进度状态调整数据拆分策略，以保证各机器人之间的同步性和控制系统的高效稳定运行。
在一实施例中，完整加工数据表示为：
S＝{S1,S2,...,SN}；
其中，N为生产线的机器人总数，S1-SN分别表示拆分后的第1-N加工数据组。
设定Si表示第i加工数据组，则
Si＝{Mi1，Mi2，...，MiPi}；
其中，i为[1,N]范围内的整数，Mi1-MiPi分别表示第i加工数据组中的第1-Pi个最小不可分割的加工数据；可以理解，Pi的值在各加工数据组中可能存在不同。
基于前述内容，设定Tij为完成最小不可分割的加工数据Mij的时长，j为[1,Pi]范围内的整数，数据拆分策略具体为：
当接收任务进度状态，将i设定为所述任务进度状态对应的加工数据组，执行以下判断：
若即第(i+1)加工数据组总耗时比第i加工数据组总耗时多T(i+1)1/2，则将S(i+1)中的加工数据M(i+1)1分配至Si；
若即第(i+1)加工数据组总耗时比第i加工数据组总耗时少/>则将Si中的加工数据MiPi分配至S(i+1)。
本实施例提供的数据拆分策略在根据任务进度状态调整的同时，每个机器人的加工数据组变化较小，加工操作类型少，机器人的执行过程变得更为稳定和且高效，有利于降低加工时间和成本。
基于上述实施例，通过算法规划生成的加工数据可能存在一些局限性，从而导致机器人的定位数据存在一定的偏差或误差。尤其是在长时间执行加工任务时，机器人的传感器也可能遭遇一些干扰和损耗，导致定位数据的准确度降低。
为此，机器人设有若干传感器以获取运行过程中的定位数据。在一优选实施例中，机器人为六轴机器人，机器人的底座、小臂、大臂、手腕等处设有惯性测量单元和激光位移传感器，从而实现精确地六轴机器人获取运行过程中的定位数据。
进一步地，MES管理模块与惯性测量单元和激光位移传感器分别通讯连接，用于接收并采用时间戳作为唯一的key值存储定位数据，以及向加工规划模块传输重复定位数据。需要说明，重复定位数据是指机器人在不同的时间点多次测量到的同一定位数据。
进一步地，在前述实施例的基础上，加工规划模块根据分析结果数据和重复定位数据生成产品生产流程的完整加工数据。加工规划模块通过计算机器人当前定位数据和历史上相同位置的平均定位数据之间的偏差值，进行重复性检测。如偏差值小于指定阈值，则对完整加工数据进行偏差补偿，从而实现对当前定位数据的修正，从而提高加工任务的自动化水平和提高作业质量。此外，加工规划模块还将偏差值存储至MES管理模块，以在后续加工过程中直接进行作业质量修正，从而提高加工任务的自动化水平和提高作业质量。
作为优选实施例，MES管理模块还与加工数据处理模块、数据分发模块和若干机器人通讯连接。MES管理模块通过实时监控机器人生产过程的资源消耗、品质指标和生产效率等数据，进行实时优化和调整，以达到最佳化生产结果。此外，MES管理模块还可以累积历史数据并开展统计分析，为生产计划、工艺优化等方面的决策提供有力支持。
作为优选实施例，本发明控制系统还包括ERP(Enterprise Resource Planning)系统，ERP系统与加工数据处理模块和数据分发模块分别通讯连接。ERP系统通过获取加工数据处理模块的完整加工数据从而计算各生产线的产量数据、资源消耗和利用情况，并通过数据分发模块对机器人生产过程中的任务进度状态以及各项指标进行数据分析和统计，依此实现对机器人生产过程的监控管理，从而为企业的管理和决策提供精确、完整的数据和信息支持。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的单元和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的单元实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个单元，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，read-onlymemory)、随机存取存储器(RAM，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
Claims (8)
1.一种数据驱动控制系统，其特征在于：包括加工数据处理模块、数据分发模块和若干机器人；
所述加工数据处理模块用于提取工程文件数据并生成完整加工数据；
所述数据分发模块用于提供内部时钟信号，根据时钟偏差计算策略计算所述机器人的请求时钟偏差，以及将完整加工数据拆分为若干加工数据组并分别发送至所述若干机器人；
所述机器人根据所述内部时钟信号和请求时钟偏差同步本地时钟，根据所述加工数据组执行生产操作；
所述数据分发模块通过数据拆分策略将完整加工数据拆分为若干加工数据组；所述机器人向数据分发模块周期性地发送任务进度状态，包括任务已完成、任务失败和任务进行节点信息；所述数据分发模块根据任务进度状态调整数据拆分策略，所述数据拆分策略具体为：
当接收任务进度状态时，根据任务进度状态执行以下判断：
若则将S(i+1)中的加工数据M(i+1)1分配至Si；
若则将Si中的加工数据MiPi分配至S(i+1)；
其中，Si和S(i+1)分别为第i和第i+1加工数据组，Si＝{Mi1，Mi2，...，MiPi}；i为[1,N]范围内的整数，N为生产线的机器人总数；M(i+1)1和MiPi分别表示第i加工数据组中的第1和Pi个最小不可分割的加工数据；Tij为完成最小不可分割的加工数据Mij的时长，T(i+1)j为完成最小不可分割的加工数据M(i+1)j的时长。
2.根据权利要求1所述的数据驱动控制系统，其特征在于：所述数据分发模块设有GPS接收模块、晶体振荡器和PLL频率锁定回路所述GPS接收模块用于获取GPS时间信号；所述晶体振荡器用于提供内部时钟信号；所述PLL频率锁定回路用于同步内部时钟信号与GPS时间信号。
3.根据权利要求2所述的数据驱动控制系统，其特征在于：所述PLL频率锁定回路包括相位检测器和低通滤波器；所述相位检测器用于对比GPS时间信号和内部时钟信号并输出相位误差信号；所述低通滤波器将所述相位误差信号进行滤波和平滑处理，产生控制电压并传输至晶体振荡器；所述晶体振荡器根据控制电压调整所述内部时钟信号。
4.根据权利要求2所述的数据驱动控制系统，其特征在于：所述数据分发模块还包括温度补偿回路，所述温度补偿回路与晶体振荡器连接；所述温度补偿回路用于根据晶体振荡器的温度变化调整晶体振荡器的频率。
5.根据权利要求1所述的数据驱动控制系统，其特征在于：所述时钟偏差计算策略为：
数据分发模块向机器人发送Sync报文，并记录时间T1；
机器人收到Sync报文时记录接收时间T2；
数据分发模块发送带有T1值的Follow_Up报文至机器人；
机器人向数据分发模块发送Delay_Req报文，并记录发送时间T3；
数据分发模块收到Delay_Req报文后，记录接收时间T4，并通过将T4值添加到Delay_Resp报文中作为响应，向机器人发送Delay_Resp报文；
根据T1、T2、T3和T4计算所述请求时钟偏差；所述请求时钟偏差表示为Dev_T＝1.5×(T2-T1)+0.5×(T4-T3)。
6.根据权利要求1所述的数据驱动控制系统，其特征在于：所述加工数据处理模块包括模型分析模块和加工规划模块；所述模型分析模块根据工程文件数据生成分析结果数据；所述加工规划模块根据分析结果数据生成完整加工数据。
7.根据权利要求6所述的数据驱动控制系统，其特征在于：还包括MES管理模块；所述机器人设有若干传感器；所述若干传感器用于获取运行过程中的定位数据；所述MES管理模块用于接收并存储定位数据。
8.根据权利要求7所述的数据驱动控制系统，其特征在于：所述MES管理模块还用于向加工规划模块传输重复定位数据；所述加工规划模块计算当前定位数据和平均定位数据的偏差值，若偏差值小于指定阈值，则对完整加工数据进行偏差补偿。
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